GRID superscalar: a programming model for the Grid

Durant els darrers anys el Grid ha sorgit com una nova plataforma per la computació distribuïda. La tecnologia Gris permet unir diferents recursos de diferents dominis administratius i formar un superordinador virtual amb tots ells. Molts grups de recerca han dedicat els seus esforços a desenvolupar un conjunt de serveis bàsics per oferir un middleware de Grid: una capa que permet l'ús del Grid. De tota manera, utilitzar aquests serveis no és una tasca fácil per molts usuaris finals, cosa que empitjora si l'expertesa d'aquests usuaris no està relacionada amb la informàtica.Això té una influència negativa a l'hora de que la comunitat científica adopti la tecnologia Grid. Es veu com una tecnologia potent però molt difícil de fer servir. Per facilitar l'ús del Grid és necessària una capa extra que amagui la complexitat d'aquest i permeti als usuaris programar o portar les seves aplicacions de manera senzilla.Existeixen moltes propostes d'eines de programació pel Grid. En aquesta tesi fem un resum d'algunes d'elles, i podem veure que existeixen eines conscients i no-conscients del Grid (es programen especificant o no els detalls del Grid, respectivament). A més, molt poques d'aquestes eines poden explotar el paral·lelisme implícit de l'aplicació, i en la majoria d'elles, l'usuari ha de definir aquest paral·lelisme de manera explícita. Una altra característica que considerem important és si es basen en llenguatges de programació molt populars (com C++ o Java), cosa que facilita l'adopció per part dels usuaris finals.En aquesta tesi, el nostre objectiu principal ha estat crear un model de programació pel Grid basat en la programació seqüencial i els llenguatges més coneguts de la programació imperativa, capaç d'explotar el paral·lelisme implícit de les aplicacions i d'accelerar-les fent servir els recursos del Grid de manera concurrent. A més, com el Grid és de naturalesa distribuïda, heterogènia i dinàmica i degut també a que el nombre de recursos que pot formar un Grid pot ser molt gran, la probabilitat de que es produeixi una errada durant l'execució d'una aplicació és elevada. Per tant, un altre dels nostres objectius ha estat tractar qualsevol tipus d'error que pugui sorgir durant l'execució d'una aplicació de manera automàtica (ja siguin errors relacionats amb l'aplicació o amb el Grid). GRID superscalar (GRIDSs), la principal contribució d'aquesta tesi, és un model de programació que assoleix elsobjectius mencionats proporcionant una interfície molt petita i simple i un entorn d'execució que és capaç d'executar en paral·lel el codi proporcionat fent servir el Grid. La nostra interfície de programació permet a un usuari programar una aplicació no-conscient del Grid, amb llenguatges imperatius coneguts i populars (com C/C++, Java, Perl o Shell script) i de manera seqüencial, per tant dóna un pas important per ajudar als usuaris a adoptar la tecnologia Grid.Hem aplicat el nostre coneixement de l'arquitectura de computadors i el disseny de microprocessadors a l'entorn d'execució de GRIDSs. Tal com es fa a un processador superescalar, l'entorn d'execució de GRIDSs és capaç de realitzar un anàlisi de dependències entre les tasques que formen l'aplicació, i d'aplicar tècniques de renombrament per incrementar el seu paral·lelisme. GRIDSs genera automàticament a partir del codi principal de l'usuari un graf que descriu les dependències de dades en l'aplicació. També presentem casos d'ús reals del model de programació en els camps de la química computacional i la bioinformàtica, que demostren que els nostres objectius han estat assolits.Finalment, hem estudiat l'aplicació de diferents tècniques per detectar i tractar fallades: checkpoint, reintent i replicació de tasques. La nostra proposta és proporcionar un entorn capaç de tractar qualsevol tipus d'errors, de manera transparent a l'usuari sempre que sigui possible. El principal avantatge d'implementar aquests mecanismos al nivell del model de programació és que el coneixement a nivell de l'aplicació pot ser explotat per crear dinàmicament una estratègia de tolerància a fallades per cada aplicació, i evitar introduir sobrecàrrega en entorns lliures d'errors.During last years, the Grid has emerged as a new platform for distributed computing. The Grid technology allows joining different resources from different administrative domains and forming a virtual supercomputer with all of them.Many research groups have dedicated their efforts to develop a set of basic services to offer a Grid middleware: a layer that enables the use of the Grid. Anyway, using these services is not an easy task for many end users, even more if their expertise is not related to computer science. This has a negative influence in the adoption of the Grid technology by the scientific community. They see it as a powerful technology but very difficult to exploit. In order to ease the way the Grid must be used, there is a need for an extra layer which hides all the complexity of the Grid, and allows users to program or port their applications in an easy way.There has been many proposals of programming tools for the Grid. In this thesis we give an overview on some of them, and we can see that there exist both Grid-aware and Grid-unaware environments (programmed with or without specifying details of the Grid respectively). Besides, very few existing tools can exploit the implicit parallelism of the application and in the majority of them, the user must define the parallelism explicitly. Another important feature we consider is if they are based in widely used programming languages (as C++ or Java), so the adoption is easier for end users.In this thesis, our main objective has been to create a programming model for the Grid based on sequential programming and well-known imperative programming languages, able to exploit the implicit parallelism of applications and to speed them up by using the Grid resources concurrently. Moreover, because the Grid has a distributed, heterogeneous and dynamic nature and also because the number of resources that form a Grid can be very big, the probability that an error arises during an application's execution is big. Thus, another of our objectives has been to automatically deal with any type of errors which may arise during the execution of the application (application related or Grid related).GRID superscalar (GRIDSs), the main contribution of this thesis, is a programming model that achieves these mentioned objectives by providing a very small and simple interface and a runtime that is able to execute in parallel the code provided using the Grid. Our programming interface allows a user to program a Grid-unaware application with already known and popular imperative languages (such as C/C++, Java, Perl or Shell script) and in a sequential fashion, therefore giving an important step to assist end users in the adoption of the Grid technology.We have applied our knowledge from computer architecture and microprocessor design to the GRIDSs runtime. As it is done in a superscalar processor, the GRIDSs runtime system is able to perform a data dependence analysis between the tasks that form an application, and to apply renaming techniques in order to increase its parallelism. GRIDSs generates automatically from user's main code a graph describing the data dependencies in the application.We present real use cases of the programming model in the fields of computational chemistry and bioinformatics, which demonstrate that our objectives have been achieved.Finally, we have studied the application of several fault detection and treatment techniques: checkpointing, task retry and task replication. Our proposal is to provide an environment able to deal with all types of failures, transparently for the user whenever possible. The main advantage in implementing these mechanisms at the programming model level is that application-level knowledge can be exploited in order to dynamically create a fault tolerance strategy for each application, and avoiding to introduce overhead in error-free environments

From metaheuristics to learnheuristics: Applications to logistics, finance, and computing

Un gran nombre de processos de presa de decisions en sectors estratègics com el transport i la producció representen problemes NP-difícils. Sovint, aquests processos es caracteritzen per alts nivells d'incertesa i dinamisme. Les metaheurístiques són mètodes populars per a resoldre problemes d'optimització difícils en temps de càlcul raonables. No obstant això, sovint assumeixen que els inputs, les funcions objectiu, i les restriccions són deterministes i conegudes. Aquests constitueixen supòsits forts que obliguen a treballar amb problemes simplificats. Com a conseqüència, les solucions poden conduir a resultats pobres. Les simheurístiques integren la simulació a les metaheurístiques per resoldre problemes estocàstics d'una manera natural. Anàlogament, les learnheurístiques combinen l'estadística amb les metaheurístiques per fer front a problemes en entorns dinàmics, en què els inputs poden dependre de l'estructura de la solució. En aquest context, les principals contribucions d'aquesta tesi són: el disseny de les learnheurístiques, una classificació dels treballs que combinen l'estadística / l'aprenentatge automàtic i les metaheurístiques, i diverses aplicacions en transport, producció, finances i computació.Un gran número de procesos de toma de decisiones en sectores estratégicos como el transporte y la producción representan problemas NP-difíciles. Frecuentemente, estos problemas se caracterizan por altos niveles de incertidumbre y dinamismo. Las metaheurísticas son métodos populares para resolver problemas difíciles de optimización de manera rápida. Sin embargo, suelen asumir que los inputs, las funciones objetivo y las restricciones son deterministas y se conocen de antemano. Estas fuertes suposiciones conducen a trabajar con problemas simplificados. Como consecuencia, las soluciones obtenidas pueden tener un pobre rendimiento. Las simheurísticas integran simulación en metaheurísticas para resolver problemas estocásticos de una manera natural. De manera similar, las learnheurísticas combinan aprendizaje estadístico y metaheurísticas para abordar problemas en entornos dinámicos, donde los inputs pueden depender de la estructura de la solución. En este contexto, las principales aportaciones de esta tesis son: el diseño de las learnheurísticas, una clasificación de trabajos que combinan estadística / aprendizaje automático y metaheurísticas, y varias aplicaciones en transporte, producción, finanzas y computación.A large number of decision-making processes in strategic sectors such as transport and production involve NP-hard problems, which are frequently characterized by high levels of uncertainty and dynamism. Metaheuristics have become the predominant method for solving challenging optimization problems in reasonable computing times. However, they frequently assume that inputs, objective functions and constraints are deterministic and known in advance. These strong assumptions lead to work on oversimplified problems, and the solutions may demonstrate poor performance when implemented. Simheuristics, in turn, integrate simulation into metaheuristics as a way to naturally solve stochastic problems, and, in a similar fashion, learnheuristics combine statistical learning and metaheuristics to tackle problems in dynamic environments, where inputs may depend on the structure of the solution. The main contributions of this thesis include (i) a design for learnheuristics; (ii) a classification of works that hybridize statistical and machine learning and metaheuristics; and (iii) several applications for the fields of transport, production, finance and computing